PDMS薄膜型可变焦液体透镜研究

发布时间：2020-08-27 12:32

【摘要】：随着社会对光学仪器的要求不断提高,传统变焦透镜难以满足人们对于摄像头微型化、响应快速的需求。作为新型光学元件,液体透镜弥补了传统变焦透镜的缺陷,它具有结构紧凑、设计小巧、驱动方式多样、调焦便利等优点。本文针对PDMS薄膜型可变焦液体透镜的结构设计及其成像质量进行了深入的研究,主要完成以下工作:第一章,介绍PDMS薄膜型可变焦液体透镜研究的选题背景和研究意义。重点介绍了三种类型液体透镜的国内外研究现状,分析各类液体透镜存在的优缺点,突出本课题研究的重要意义。并给出本论文的主要研究内容和结构安排。第二章,设计了一种新的薄膜型可变焦液体透镜关键元件PDMS薄膜的制作工艺,这种方法可以有效的减小薄膜厚度以及剥离的难度。并且针对薄膜液体透镜的密封性问题以及薄膜透镜微型化结构特点设计出微小厚度的薄膜垫片,与现有的垫片相比,它的厚度更小更符合微型结构的特点。设计制作的垫片不仅可以解决液体透镜的光学液体的泄露问题还不影响整体微型化的结构。第三章,利用万能材料试验机测得PDMS不同配比材料的应变应力关系特性。由于材料具有超弹性特性,本文对PDMS材料建立超弹性模型,降低后文研究薄膜形变的影响因素复杂度。利用Abaqus有限元软件系统地研究各因素对PDMS薄膜形变的影响,获得PDMS薄膜在不同载荷下的表面形状,并拟合出对应的偶次项非球面方程。这对液体透镜结构的设计提供了理论支持。第四章,根据薄膜液体透镜的变焦原理以及薄膜形变形状,设计出薄膜透镜的结构图。利用薄膜在不同载荷情况下表面的偶次项非球面方程设计出玻璃透镜在像质最优时的具体参数。运用高斯光学理论计算出各个透镜的焦距以及主面位置并对薄膜型液体透镜光路系统简化并分析。得出液体透镜系统的焦距以及主面位置,并使用光学软件对以上计算进行验证。理论计算结果与软件仿真结果误差较小,证明透镜结构设计的合理性。第五章,利用ZEMAX软件对本文设计的薄膜液体透镜进行仿真和分析,结果显示单独使用液体透镜而没有补偿透镜时它的像差很大,无法完成镜头成像的任务。紧接着对增加补偿透镜后的液体透镜系统进行光学仿真分析,结果显示本文设计的液体透镜系统的像差明显减小。利用SolidWorks三维软件对透镜系统的零部件进行设计,包括补偿透镜、容腔、驱动装置等。第六章,为了检验该薄膜型液体透镜系统在现实场景中的成像质量,本文选择必要的实验装置,搭建实验系统平台,对薄膜型液体透镜的成像质量情况进行实验。选择不同的拍摄场景,分别拍摄室内近景以及室外远景,实验结果表明本文设计的薄膜型液体透镜系统拍摄出的图像清晰度高没有畸变,能够满足对拍摄像质的需求。第七章,对全文进行总结,指出本文的主要研究结论以及创新点,并对下一步的工作提出了展望。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74
【图文】：

曲线,液晶透镜,折射率变化,结构示意图

液体镜头变焦的基本原理是从人眼自动调焦功能而得。人类之所以能够很容逡逑易看清不同远近的物体，是因为人眼中的睫状肌改变了晶状体的曲率，从而改变逡逑人视觉系统的焦距，如图１．１所示为人眼左眼模型［４４。液体镜头参考人眼改变焦逡逑距的原理，利用某种控制方法来改变镜头对光线的折射能力，实现变焦功能。逡逑液体镜头可以很好的弥补传统变焦系统的不足，完成其难以实现的功能，推逡逑动变焦系统在微型化发展。液体透镜将会对生物医疗、军事感知、智能机器人等逡逑领域带来较为深刻的影响［Ｍ］。因此开展液体透镜技术以及其在徽型变焦距系统逡逑１逡逑

示意图,驱动液,介电,透镜

逦ｒ＞．邋一．邋？逡逑图１．２液晶透镜结构示意图和折射率变化曲线逡逑２０１７年Ｌｉｕ邋ＨＬ，邋Ｓｈｉ邋Ｙ和Ｌｉａｎｇ邋Ｌ等人［１２】设计了液体热ＧＲＩＮ透镜，它是逡逑通过利用液体之间的热传导制备而成。该透镜的上层是梯形区域，三种不同温度逡逑的苯甲醇之间的热传导可以在液体间建立ＧＲＩＮ轮廓，在下层形成具有补偿液体逡逑的菱形区域，在区域内的横向上形成稳定二次项抛物线折射率。这种透镜的焦距逡逑范围为４３０邋ｔｉｍ到５００ｕｍ。响应时间约为２０ｍｓ。该透镜可用于工作距离在２８０逡逑ｕ邋ｍ范围内对人胚肾细胞进行观察。这种液体ＧＲＩＮ透镜的相当高质量也可以应逡逑用在高质量光学成像，检测以及电池处理。逡逑３逡逑

透镜阵列,变焦,液体

逦／逦７邋Ｍ邋ｎ逡逑＾邋Ｗ邋Ｈ逦＇、NB邋１１逡逑图１．４可切换液体微透镜阵列逡逑２０１２年荷兰特温特大学的Ｍｕｒａｄｅｆ１８］等人设计了邋一个高速变焦徵透镜阵列。逡逑该透镜阵列采用１００个微透镜进行高速同步变焦，共用电极同时驱动所有的徵透逡逑镜，该设计可以减小制造偏差提高成像稳定性。透镜阵列变焦频率可以达到１ｋＨｚ，逡逑响应时间为３ｍｓ。下图１．５为该微透镜阵列。逡逑＊邋１逡逑，．．－？？？邋．？邋逦－＼0逡逑ｍｇｍｗｓ？Ｍ逦＼ｍｔａｍｍｍｍ４逦ｆｃｅｅ？ｗｗ＝？？＜？￡逦？￣ｆｅｅｉＭＷ８＾？？ｗ？？ｗａ＾逦逡逑■邋＇．』？邋ｔ邋＇逦钱逡逑图１．５电润湿高速变焦液体徵透镜阵列逡逑在国内，２００８年四川大学的宋世军等人基于电驱动变焦纳米液晶透镜进行逡逑了邋３Ｄ立体显示器的应用研究［１９］。响应频率达到５０Ｈｚ，能够实现无闪烁显示。逡逑该液晶透镜具有透明性好，响应速度快等的优点。逡逑２０１０年兰州化物所研究了将电润湿离子液体介质用于微流体、液体光学等逡逑诸多领域的主要特性［２（）］。并且设计了电润湿离子液体变焦透镜。该液体透镜变焦逡逑最小值为３ｍｍ，响应时间小于１００ｍｓ、可以在一２０？１５０°Ｃ

【参考文献】